ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ГЛАЗА

С помощью зрения человек получает значительную часть информации об окружающем мире. Поэтому физические и физиологические принципы работы глаза представляют интерес и для науки, и для практики.

Зрение человека, а именно орган зрения – глаз, рассматривает не только медицина, анатомия, физиология, но также и раздел физики – оптика. Оптика – это раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра [6]. То есть, оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Свет – это электромагнитное излучение с различными длинами волн [7]. А глаз – природный оптический прибор, который формирует изображение предметов внешнего мира на сетчатке глаза.

Принцип работы глаза объясняет раздел физики под названием геометрическая оптика. Большинство оптических инструментов рассчитаны на зрительное восприятие, а также глаз человека приносит в рамках бионики некоторые идеи по конструированию и улучшению оптических систем.

Итак, рассмотрим строение человеческого глаза.

Глазное яблоко имеет не совсем правильную сферическую форму. Стенки глаза окружены 3 концентрическими оболочками.

Наружная или фиброзная белковая оболочка глаза представлена в виде плотной эластичной тканью, выполняющую защитную функцию, обусловливает постоянство объема, формы и тонуса глаза, а также служит местом прикрепления глазодвигательных мышц. Данная оболочка состоит из двух отделов: прозрачной оболочки – роговицы и непрозрачной – склеры.

Рисунок 1. Схема строения глаза человека

Прозрачность роговицы зависит от свойств самого отдела, в первую очередь от правильного расположения структурных элементов и от одинаковых показателей их преломления. Она не содержит кровеносных сосудов, то есть ее питание происходит путем осмоса и диффузии за счет петлистой сети лимба и внутриглазной жидкости, и высокочувствительна, так как она богата нервами. Она принимает участие в преломлении световых лучей, являясь важной составной частью оптического аппарата глаза, как бы окном, через которое в глаз проходят лучи света.

Непрозрачный отдел наружной оболочки – склера или белочная оболочка имеет интенсивный белый цвет. В склере проходят многочисленные артерии и вены, с помощью которых она и получает питательные вещества. Через заднюю стенку склеры, которая очень тонкая, проходит зрительный нерв.

Сосудистая или средняя оболочка глаза прилегает к склере, внутренняя поверхность которой выставлена слоем темных пигментных клеток, которые препятствуют диффузному рассеиванию света в глазу. Сосудистая оболочка разделена на 3 отдела: радужку, ресничное тело, хориоидею (сама сосудистая оболочка).

Передним отделом средней оболочки является радужка. Далее идет роговица, которая не имеет прямого контакта с радужкой, но между ними находится свободное пространство, заполненное жидкостью, близкой по оптическим свойствам к воде, называемое передней камерой глаза. В центре радужки находится зрачок. Его функцией является регулирование количество света, поступающего в глаз с помощью сокращения круговой мышцы. На внутренней поверхности радужной оболочки находится слой пигмента, который, подобно экрану, не пропускает световые лучи, но иначе как через зрачок.

Ресничное тело или цилиарное является промежуточным звеном между радужкой и хориоидеей. Её функция двойная: ресничный эпителий обеспечивает продукцию водянистой влаги, ресничная мышца участвует в аккомодации глаза. Аккомодация может быть, как на дальние расстояния, так и на близкие.

Задняя часть сосудистой оболочки глаза называется хориоидеей. Она плотно соединена со склерой только вокруг места выхода зрительного нерва. Ее функция незаменима ведь она является энергетической базой, обеспечивающей восстановление непрерывно распадающегося зрительного пигмента, необходимого для процесса зрения.

Внутренняя оболочка глаза состоит из сетчатки, которая играет роль рецепторного или световоспринимающего аппарата глаза. В слоях сетчатки находятся светочувствительные зрительные клетки, концы которых имеют разную форму: продолговатые окончания называют палочками, конусообразные – колбочками.

Помимо всего вышесказанного в месте вхождения зрительного нерва находится слепое пятно не чувствительное к свету (отсутствуют палочки и колбочки), а в середине сетчатки – желтое пятно чувствительное к свету.

Оба глаза человека работают как единая согласованная система, формируя зрительный образ видимого предмета [5].

Роговица, влага передней камеры глаза, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую силу глаза. Для того, чтобы построить изображение в глазу нужно знать место основного преломления света и оптические характеристики основных преломляющих сред в покое аккомодации. Основное преломление света происходит на внешней поверхности роговице, а именно, на границе с воздухом, а оптические характеристики глазных сред объединим в таблицу.

Таблица 1

Оптические характеристики глазных сред

Оптическую силу среды мы нашли по формуле

 ,

где  – относительный показатель преломления линзы и окружающей среды;  и  – радиусы кривизны ее 1-й и 2-й поверхностей, которые считаются положительными, если их центры расположены справа от линзы, а отрицательными, если слева от нее.

Итак, суммарная преломляющая сила оптического аппарата глаза в покое аккомодации приблизительно равна 60 дптр, а при максимальном напряжении аккомодации не превышает 70 дптр. Поскольку рассматриваемый объект располагается за двойным фокусным расстоянием значит на сетчатке глаза получается действительное, уменьшенное и перевернутое изображение [6].

Рисунок 2. Схематическое изображение глаза, наблюдающего дерево, где С – оптический центр хрусталика

Для того чтобы знать принципы работы глаза, нужно разобрать и его абберации.

Абберация глаза – оптические дефекты, искажающие изображения на сетчатке и ухудшающие качество зрения.Абберации могут быть 3 видов: дифракционные, хроматические, сферические. Остановимся на каждой из них отдельно.

Дифракционная абберация – дифракция, возникающая при прохождении светового пучка через суженый зрачок, то есть с уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного кружка светорассеяния увеличивается.

Хроматическая абберация – отклонение при фокусировки различных длин волн, а именно пучок белого света, идущий параллельно главной оптической оси, будет фокусироваться в разных ее точках, разлагаясь на спектр. Хроматическая абберация проявляется в большем преломлении света с меньшей длиной волны, поэтому синие предметы, требующие меньшей аккомодации, кажутся более удаленными, чем расположенные на том же расстоянии красные. Хотя глаз и не является ахроматической системой, однако хроматическая абберация не ощущается ввиду малости зрачка.

Сферическая абберация заключается в том, что лучи света, проходящие через периферические зоны зрачка, преломляются сильнее лучей, которые проходят через центральную зону зрачка, то есть с разными показателями преломления. Это значит, что переферические отделы преломляют прямые монохроматические лучи сильнее центрльных. Вследствие такого вида аббераций изображение, светящееся точки, имеет вид белого пятна.

В реальности такая аберрация на зрительное восприятие человека оказывает влияние только в сумерках, когда зрачок расширен [4].

Главный фокус оптической силы глаза может находиться в 3 положениях: на сетчатке, перед ней и за ней.

При покое аккомодации нормальный глаз фокусирует изображение предметов на сетчатке – эмметропический глаз, в обратном случае – амметропический.

В свою очередь, наиболее распространенными амметропиями являются миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость) и астегматизм.

Миопия или близорукость характеризуется избыточной преломляющей силой глаза, поэтому лучи от далекого предмета фокусируются перед сетчаткой и расходятся, образуя размытое пятно. Четкая фокусировка предмета происходит при его расположении не дальше определенной точке R – дальней точке аккомодации. Близорукость может являться следствием удлиненной формы глазного яблока или избыточной преломляющей способностью основных сред глаза.

Гиперметропия или дальнозоркость связана с укороченной формой глазного яблока или недостаточной преломляющей способностью глаза. В данном виде аметропии дальнозоркий глаз, в покое аккомодации не видит ясно ни близких, ни дальних предметов, поэтому приходится постоянно напрягать аккомодационный аппарат, чтобы «вывести» из отрицательного пространства дальнюю точку аккомодации R.

Астигматизм является сочетанием в одном и том же глазу разных видов аметропии, аметропии и эмметропии или аметропии одного и того же вида, но разной степени. Астигматизм чаще всего обусловлен асимметричностью поверхности роговицы относительно оптической оси (несферическая форма роговицы и хрусталика). Также хрусталик может быть астигматичным. То есть астигматизм проявляется в неспособности глаза одинаково резко видеть взаимно перпендикулярные линии на испытательной таблице. Небольшой астигматизм встречается довольно часто и не приводит к снижению зрения, но значительная его степень может вызвать существенное суждение зрения за счет возникающих при этом искажений [5].

Исправление аббераций в оптической системе глаза производится тремя способами: индивидуальными средствами коррекции (очки, контактные линзы), хирургическим вмешательством, а так же гимнастикой глаза.

Для коррекции близорукости в очках применяют рассеивающие линзы, а для дальнозоркости – собирающие [3]. Линзы перемещают задний фокус глаза на сетчатку и делают изображение предметов резким.

Контактные линзы являются самым замечательным приспособлением для коррекции зрения. Они обладают рядом преимуществ перед очками. Правильно подобранные контактные линзы повышают остроту зрения, расширяют поле зрения, восстанавливают бинокулярное зрение. Кроме этого, пользование контактными линзами уменьшает явления зрительного утомления и повышает зрительную работоспособность. Все это положительно влияет на общее состояние организма, повышает жизненный тонус, расширяет зону интересов и возможностей человека. Помимо достоинств контактные линзы имеют и недостатки. Даже самые совершенные линзы остаются инородным телом для глаза и могут вызывать широкий спектр осложнений.

Можно выделить новое современное направление – ортокератология. Индивидуально изготавливаются контктные линзы (обратной геометрии), которые одеваются только на ночь, утром снимают их. Пациент хорошо видит без очков и контактных линз по меньшей мере сутки [8].

Для исправления или коррекции сферической абберации глаза, перед исследованием глазного дна зрачок искусственно расширяют с помощью лекарственных препаратов, поэтому после процедуры изображения предметов становятся менее резкими [5].

Астигматизм исправляют с помощью очков с корригирующими цилиндрическими линзами. Очки могут исправить только правильный астигматизм глаза – это бывает, когда преломляющие поверхности оптических сред (роговицы и хрусталика) имеют не сферическую, а торическую форму. Астигматизм корригируется специальными линзами (торическими).

В настоящем времени существуют бифокальные, трифокальные линз. Недостатком этих линз является наличие слепой зоны на средних расстояниях. Современные достижения в технологии изготовления очковых линз (при помощи сложных компьютерных расчетов в каждой точке поверхности линзы создается точная преломляющая сила) позволили создать мультифакальные или прогрессивные линзы. Данные линзы позволяют человеку достаточно отчетливо видеть на любых расстояниях даже при отсутствии собственной аккомодации.

Рефракционная хирургия – изменение преломляющей оптической системы глаза хирургическим путем. Все операции можно разделить на две группы: без вскрытия глазного яблока (операция, изменяющая кривизну центра за счет воздействия на периферию роговицы и операция, изменяющая кривизну центра, за счет воздействия на оптическую зону) и со вскрытием глазного яблока (имплантируется добавочные интраокулярные линзы внутрь глаза). Наиболее современной операцией является Lasik (laser in situ keratomileuciss). Под местным обезболиванием выкраивается поверхностный роговичный лоскут. Эксимерным лазером (длина волны 193 нм) производится абляция роговичного ложа, после чего производится репозиция лоскута [2].

От психофизического состояния наблюдателя зависит восприятие цвета и формы объекта, например, усиливается в опасных ситуациях, уменьшается при усталости. Но несмотря на адаптацию глаза к условиям освещения, то при изменении интенсивности излучения восприятие может заметно отличаться от обычного.

Корректирующая работа мозга играет важную роль в зрительных впечатлениях человека, внося поправки в физическое изображение на сетчатке, например, выпрямление изображения на сетчатке, так как в действительности изображение на хрусталике перевернутое. Так же мы воспринимаем окружающие предметы неизменными по форме и размеру, но мозговое корректирование может приводить к ошибкам и обманам зрения. Ярким примером является солнце и луна, на горизонте они кажутся огромными, а в зените маленькими, хотя при фотографировании они получаются одинаковыми. Это связано с неоднородным освещением неба на закате и рассвете.

Цветоощущение, как и острота зрения, является функцией колбочкового аппарата сетчатки глаза. Развитие и совершенствование этой функции идет параллельно развитию центрального зрения.

Ощущение цвета, как и света, возникает в глазу при воздействии на фоторецепторы сетчатки электромагнитных колебаний в области видимой части спектра [1]. Восприятие глазом того или иного цветового тона зависит от длины волны излучения – это длинноволновые (красный, оранжевый), средневолновые (желтый, зеленый), коротковолновые (голубой, синий, фиолетовый).

За пределами хроматической части спектра располагаются невидимые невооруженным глазом длинноволновое – инфракрасное и коротковолновое – ультрафиолетовое излучение.

Цвет определенным образом влияет на психофизиологическое состояние человека. Так, например, установлено, что красный цвет действует возбуждающе, а зеленый – успокаивающе. Цветовое зрение имеет большое практическое значение в сфере транспорта, в промышленности, в искусстве.

Наряду с цветоощущением, есть и светоощущение, то есть способность зрительного анализатора воспринимать свет и различные его яркости [4]. Светоощущение связано с работой палочкового аппарата сетчатки. Эта функция является чувствительной ко многим патологическим процессам в глазу.

Одной из характеристик световой чувствительности является световая и темновая адаптация, то есть приспособление органа зрения к разным уровням освещенности.

Световая адаптация – приспособление органа зрения к высокому уровню освещенности. Она протекает в первые 30 секунд к максимуму адаптации через 50-60 секунд. Если человек выходит из темной комнаты на свет, возникает временное ослепление, которое быстро исчезает.

При нарушении световой адаптации человек в сумерках видит лучше, чем на свету. Световую адаптацию исследуют крайне редко и по специальным показаниям.

Темновая адаптация – приспособление органа зрения к условиям пониженного освещения. Она наблюдается при переходе из светлого помещения в затемненное.

Темновая адаптация происходит медленно с достижением максимума световой чувствительности в течении первых 30-45 минут.

Расстройство темновой адаптации приводит к потере ориентации в условиях сумеречного освещения, такое состояние называется куриной слепотой или гемералопией. Симптоматическая гемералопия встречается при пигментной дегенерации сетчатки, отслойке сетчатки, воспалительных процессах сетчатки и зрительного нерва, патологии сосудистой оболочке, глаукоме, близорукости и другое.

Еще одной из особенностей зрительного анализатора является бинокулярное зрение, что является согласованное зрение двумя глазами, позволяющее воспринимать глубину пространства и оценивать удаленность предметов, при условии, что изображение, падающее на макулярную область в коре головного мозга, сливается в единый корковый образ.

Бинокулярное зрение позволяет расширить поле зрения в стороны. Одним глазом без поворота головы человек может охватить около 140° пространства, а двумя глазами – около 180°. Благодаря двойному сигналу от каждого видимого предмета усиливается его образ, а острота зрения при двух открытых глазах примерно на 40 % выше, чем острота зрения каждого глаза в отдельности. Кроме этого, уменьшается минимальная разница в контрасте, которую глаз в состоянии заметить [9]. Всякое расстройство бинокулярного зрения ведет к косоглазию.

При бинокулярном зрении присутствует феномен ведущего глаза, то есть проявление функциональной асимметрии, присущей в той или иной мере всем парным анализаторам. Зрительная линия ведущего глаза первой направляется на объект фиксации, в нем раньше включается механизм аккомодации, при разделении полей зрения он обеспечивает более отчетливое видение предмета.

В работе было рассмотрено устройство глаза, его характеристики и виды аббераций, были проанализированы методы устранения этих аббераций.

Органом зрения человека являются глаза, которые во многих отношениях представляют собой весьма совершенную оптическую систему. Глаз – сложная оптическая система. В настоящее время решить проблему аббераций помогают как сложные оптические системы, так и хирургические вмешательства. С течением времени совершенствуются методы коррекции зрения. Уникальным методом стала ортокератология.

Научно-технический прогресс привел к повышению нагрузки на зрение человека вне зависимости от сферы деятельности. Так, к коррекции зрения стали прибегать все большее количество людей, что привело к интенсивному развитию ее методов и средств.

Список литературы:

1. Бру Ф., Шаша Т.С., Линден Л., Леттвин Д. Цвета предметов // В мире науки.–1986.–№11.–С.50–60.
2. Валюс Н.А. Зрение // Физическая энциклопедия: В 5 т.–М.: Сов. Энциклопедия, 1990.–Т.2–C.96–97.
3. Демидов В.Е. Как мы видим то, что видим.–М., 1979.
4. Корец Д.Ф., Хандельман Д.Х. Как фокусирует человеческий глаз // В мире науки.–1988.–№9.–С.58–68.
5. Королев Ф.А. Курс физики: Оптика. Атомная и ядерная физика: Учеб. пособ для студ. физ.-мат. фак. пед. ин-тов.–2-е изд., перераб.–М.: Просвещение, 1974.–608 с.
6. Ландсберг Г.С. Оптика.–М.: Наука, 1976.–926 с.
7. Луизов А.В, Глаз и свет.–Л., 1983.
8. Луизов А.В. Физика зрения.–М.: Знание, 1976.–64 с.
9. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.–М.: Высш. шк., 1987.–638 c.